Per la maggior parte delle esperienze quotidiane, come andare in bicicletta, usando un ascensore o prendendo una palla, la meccanica classica (newtoniana) è perfettamente accurata.

Però, a scala atomica e subatomica la natura è descritta dalla meccanica quantistica, formulato circa 100 anni fa e notoriamente caratterizzato dal fisico teorico Richard Feynman quando disse:"Penso di poter affermare con sicurezza che nessuno capisce la meccanica quantistica".

Ancora oggi la comprensione della dinamica dei sistemi quantomeccanici composti da un gran numero di particelle interagenti rimane uno dei problemi più difficili della fisica.

Per affrontare questa sfida, una collaborazione di ricerca interdisciplinare di teorici dell'informazione quantistica del dipartimento di fisica della Swansea University ha sviluppato un nuovo protocollo di simulazione quantistica.

Nel loro studio teorico, pubblicato in Revisione fisica X , il fisico delle alte energie, il professor Gert Aarts, insieme al dottor Markus Müller e Alejandro Bermudez, propongono di utilizzare gli atomi freddi come sensori quantistici controllabili per accedere sperimentalmente alle proprietà chiave delle teorie dei campi quantistici interagenti. I risultati potrebbero chiarire difficoltà, questioni aperte nella materia condensata e nella fisica delle alte energie.

La teoria quantistica dei campi fornisce un linguaggio unificante che descrive un'ampia varietà di sistemi in natura su molte scale energetiche, che vanno dagli atomi ultrafreddi in laboratorio alle particelle più energetiche del Large Hadron Collider.

Alejandro Bermudez ha affermato:"Una pietra angolare della teoria quantistica dei campi è il cosiddetto funzionale generatore, da cui possono essere derivate tutte le correlazioni tra le particelle." Il professor Aarts ha aggiunto:"Di solito questo è considerato uno strumento matematico che comprime ordinatamente tutte le informazioni rilevanti sulla teoria quantistica dei campi in un unico, un po' astratto, quantità."

In questo lavoro, il team mostra come il funzionale generatore possa essere infatti misurato in laboratorio, utilizzando stringhe di ioni raffreddati al laser intrappolati.

L'idea chiave del nuovo schema è quella di mappare le informazioni sul funzionale generatore su una raccolta di sensori quantistici entangled, codificato negli stati elettronici degli ioni.

"Questi sensori quantistici vengono quindi accoppiati da una sequenza di impulsi sincronizzati con precisione al campo quantistico, quasi come i tasti di un pianoforte, che deve essere premuto in tempi diversi per produrre una melodia", spiega Muller. "Questa melodia - corrispondente al segnale di misurazione interferometrico sperimentale - contiene le informazioni rilevanti sulla teoria quantistica dei campi di interesse".

I risultati costituiscono un passo importante nel più ampio argomento delle simulazioni quantistiche, che mirano a comprendere i problemi della fisica quantistica a molti corpi mediante sistemi sperimentali che possono essere manipolati accuratamente per rappresentare la teoria quantistica dei campi in esame.

Sensori quantistici per la generazione funzionale di teorie quantistiche di campo interagenti. A. Bermudez, G. Aarts, e M. Müller è pubblicato in Revisione fisica X .